水文地質(zhì)學(xué)虛擬仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

趙云云 李俊付 姚潤淼

摘要：針對傳統(tǒng)室內(nèi)實驗對時間、地域、實驗內(nèi)容等方面的制約和限制，開展了水文地質(zhì)學(xué)虛擬仿真實驗系統(tǒng)的設(shè)計和研究?；谔摂M仿真技術(shù)、Web開發(fā)技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)手段，構(gòu)建了水文地質(zhì)學(xué)虛擬仿真實驗系統(tǒng)，以達(dá)西滲流實驗為例詳細(xì)闡述了從實驗項目優(yōu)化、三維建模、仿真實驗動畫設(shè)計、到虛擬仿真實驗系統(tǒng)研發(fā)的全過程。該實驗系統(tǒng)可用于水文地質(zhì)學(xué)實驗課線上線下教學(xué)，彌補(bǔ)教學(xué)不足，拓展實驗教學(xué)的廣度和深度，延伸實驗教學(xué)時間和空間，有助于提升實驗教學(xué)質(zhì)量和水平，踐行現(xiàn)代信息技術(shù)與實驗教學(xué)項目的深度融合。

關(guān)鍵詞：水文地質(zhì)學(xué)；虛擬仿真技術(shù)；Web開發(fā)技術(shù)；達(dá)西滲流實驗

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）36-0101-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

水文地質(zhì)學(xué)是面向地質(zhì)類專業(yè)學(xué)生的一門專業(yè)必修課程，課程注重理論與實踐的緊密結(jié)合，其中實驗課是課程體系十分重要的實踐環(huán)節(jié)。多年來教學(xué)改革研究多集中在教學(xué)內(nèi)容、理念、方法、考核評價等理論教學(xué)方面，對實驗課環(huán)節(jié)的改革與探索鮮為少見。近年來，在工程教育專業(yè)認(rèn)證和新課程改革背景下，倡導(dǎo)小課時大容量，信息化智慧教學(xué)，原有課時不斷壓縮，以往的傳統(tǒng)教學(xué)模式面臨巨大的挑戰(zhàn)。且新形勢下開展的互聯(lián)網(wǎng)線上教學(xué)、線上線下融合教學(xué)模式，對原有的實驗課程也提出了新的要求。

1 實驗系統(tǒng)構(gòu)建背景

基于計算機(jī)虛擬仿真模擬技術(shù)的水文地質(zhì)學(xué)實驗課系統(tǒng)的研發(fā)，是應(yīng)對新形勢下開展實驗教學(xué)的有效措施，是對水文地質(zhì)學(xué)線下實驗課的有力支撐。

1）開展虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)，是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與實驗教學(xué)項目深度融合、拓展實驗教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗教學(xué)時間和空間、提升實驗教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措[1]。

2）開展虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)，是對工程教育專業(yè)認(rèn)證的積極響應(yīng)。工程教育是我國高等教育的重要組成部分，工程教育專業(yè)認(rèn)證強(qiáng)調(diào)建立專業(yè)持續(xù)改進(jìn)機(jī)制和文化以保證專業(yè)教育質(zhì)量和專業(yè)教育活力[2]。虛擬仿真實驗系統(tǒng)研發(fā)是對傳統(tǒng)實驗的創(chuàng)新和延伸，是專業(yè)建設(shè)持續(xù)改進(jìn)的有效措施。

3）虛擬仿真實驗是對水文地質(zhì)學(xué)線下實驗課的有力支撐，是對開展水文地質(zhì)學(xué)線上課程空白項的填補(bǔ)。將虛擬仿真實驗與實驗課教學(xué)相結(jié)合，拓展了實驗教學(xué)的時間和空間，豐富了實驗內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容和表達(dá)方式更加豐富多彩，完善了現(xiàn)有的實驗教學(xué)體系，更有利于學(xué)生理解專業(yè)理論知識。同時，學(xué)生能夠自主安排做實驗的時間，以靈活的方式完成實驗任務(wù)，不受學(xué)時、空間、內(nèi)容的限制，提高了實驗課的吸引力和實驗教學(xué)效果，有助于提升水文地質(zhì)學(xué)課程教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新力，提升學(xué)生就業(yè)競爭力[3-5]。

4）強(qiáng)調(diào)虛實結(jié)合，將虛擬仿真實驗與真實實驗課程有機(jī)融合，在培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、信息化素養(yǎng)和創(chuàng)新精神中發(fā)揮重要作用?；诜抡婕夹g(shù)的實驗?zāi)Ｊ绞沟媒虒W(xué)資源的管理更高效化，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造意識，注重知識傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)提高的協(xié)同實施，為人才培養(yǎng)、教學(xué)改革和學(xué)科建設(shè)開辟了一條全新的途徑[6-8]。

2 虛擬仿真實驗系統(tǒng)構(gòu)建目標(biāo)

虛擬仿真實驗是借助于多媒體、三維建模、仿真動畫和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，利用計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的模擬和仿真，以提高實驗教學(xué)項目的吸引力、延伸性和教學(xué)有效度。此次設(shè)計完成的實驗項目主要有三個，分別是達(dá)西滲流實驗、孔隙與水實驗和砂土中水的毛細(xì)運動觀測實驗。水文地質(zhì)學(xué)虛擬仿真實驗系統(tǒng)構(gòu)建的總體目標(biāo)為：

1）優(yōu)化實驗項目和實驗過程，以利于虛擬仿真實驗項目的建立。

2）利用三維建模技術(shù)、編程技術(shù)和可視化動畫演示技術(shù)，實現(xiàn)實驗項目的儀器展示、實驗原理、實驗過程等全方位演示，并實現(xiàn)人機(jī)交互的實驗操作過程。

3）利用前端網(wǎng)頁設(shè)計技術(shù)，構(gòu)建水文地質(zhì)學(xué)虛擬仿真實驗系統(tǒng)，完成實驗教學(xué)過程，增強(qiáng)課堂教學(xué)表現(xiàn)力和教學(xué)效果。指導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，完成線上自主實驗課的內(nèi)容，通過自主學(xué)習(xí)強(qiáng)化實驗課教學(xué)效果，深度理解水文地質(zhì)學(xué)基本概念及基本理論。

3 虛擬仿真實驗項目總體架構(gòu)

從項目提出到項目完成主要進(jìn)行了四個環(huán)節(jié)的建設(shè)，依次是實驗項目優(yōu)化、三維建模、虛擬仿真動畫制作、虛擬仿真實驗系統(tǒng)建設(shè)。詳情見圖1虛擬仿真實驗系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。

實驗項目優(yōu)化，主要是對達(dá)西滲流實驗、孔隙與水實驗、砂土中水的毛細(xì)運動觀測實驗三組實驗?zāi)窟M(jìn)行了實驗儀器改進(jìn)和實驗過程優(yōu)化，這方面的工作是進(jìn)行仿真建模和動畫制作的必要前提工作。

三維建模工作，利用AutoCAD和Blender建模軟件來完成對實驗項目儀器的仿真模型庫的建立，模型庫包含了水文地質(zhì)實驗項目涉及的所以儀器元件及零部件。

虛擬仿真實驗動畫設(shè)計，依據(jù)實驗優(yōu)化內(nèi)容和三維模型，利用開源軟件Blender動畫制作功能，完成一系列實驗流程動畫制作，并使用音視頻軟件對動畫進(jìn)行后期文字、解說、指示等處理。

仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計，采用最新的網(wǎng)頁設(shè)計技術(shù)進(jìn)行響應(yīng)式網(wǎng)站開發(fā)，系統(tǒng)分為前端功能和后端功能兩個模塊。前端是以網(wǎng)頁形式展現(xiàn)的人機(jī)交互界面，是為教師和學(xué)生的使用服務(wù)的，分為登錄界面和系統(tǒng)主界面；后端是基于虛擬仿真技術(shù)、數(shù)據(jù)庫而建立的系統(tǒng)后臺核心技術(shù)，具備為管理人員提供對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和管理的功能。

3.1 實驗項目優(yōu)化——以達(dá)西滲流實驗為例

在水文地質(zhì)實驗教學(xué)中，實驗所展示的是一個真實的復(fù)雜的地學(xué)現(xiàn)象和過程，要將這一過程轉(zhuǎn)化為可視化的虛擬仿真實驗，就需要對實驗內(nèi)容、實驗儀器、實驗過程做必要的優(yōu)化處理，以利于虛擬仿真實驗的建立。以達(dá)西滲流實驗為例，對實驗項目優(yōu)化過程做介紹：

地下水在巖土空隙中的運動稱為滲流，發(fā)生滲流的區(qū)域稱為滲流場。達(dá)西滲流實驗即是利用達(dá)西儀在實驗室測定穩(wěn)定流條件下水通過均勻砂柱的滲流速度的方法，達(dá)西定律中滲流速度與水力梯度的一次方成正比，也稱線性滲透定律，從而進(jìn)一步計算砂土的滲透系數(shù)。達(dá)西定律是在解決生產(chǎn)實際問題過程中，通過控制性試驗獲得的，它不僅是水文地質(zhì)定量計算的基礎(chǔ)，還是定性分析各種水文地質(zhì)工程的重要依據(jù)，深入掌握達(dá)西定律的物理實質(zhì)和實驗過程，靈活應(yīng)用它來分析問題，是學(xué)生應(yīng)當(dāng)具備的基本技能[9-10]。

1）實驗原理

在實驗教學(xué)中，由達(dá)西定律，在日常水頭條件下，水流在單位時間內(nèi)透過巖土空隙的流量（Q）與巖土的過水?dāng)嗝婷娣e（ω）、水力坡度（I）成正比：

[Q=Kω△HL=KωI]

亦即：

[K=QωI=VI]

式中：Q——滲透流量（cm3/s）；

ω——過水?dāng)嗝婷娣e（cm2）；

K——滲透系數(shù)（cm/s）；

△H——上下游過水?dāng)嗝娴乃^差H1-H2（cm）；

L——滲透途徑（cm）；

I——水力梯度。

2）實驗儀器優(yōu)化

實驗儀器主要有達(dá)西儀（水泵、大水箱、升降水箱、試樣砂柱筒、測壓管等）、松散巖土試樣（粗砂、中砂、細(xì)砂等）、秒表、量筒等?？紤]到建模難度及對實驗結(jié)果有無影響等因素，對達(dá)西儀進(jìn)行了如下優(yōu)化處理：將測壓管與試樣砂筒的位置調(diào)整，以方便觀測測壓管水位變化；將升降水箱的手搖裝置簡化處理，以便于建模和動畫設(shè)計；進(jìn)出水管及閥門開關(guān)做了改進(jìn)；增大了實驗臺面和底部水箱，升降水箱背板設(shè)置成可拆卸，以便于實驗過程顯示。具體見圖3達(dá)西實驗儀三維模型。

3）實驗過程分解

依據(jù)達(dá)西滲流實驗步驟，結(jié)合建模和動畫制作技術(shù)，將實驗過程分解為以下8個步驟：

①認(rèn)識儀器并測量儀器的幾何參數(shù)：分別測量過水?dāng)嗝婷娣e（ω）、測壓管a、b、c的水頭間距或滲透途徑（L）。

②調(diào)試儀器：底部大水箱加水，水量沒過水泵；砂柱中裝入砂樣，高度與砂筒內(nèi)邊齊平。

③打開電源開關(guān)：打開水泵電源開關(guān)，升降水箱開始注水，水面至溢水板后溢出，從下方出水管流進(jìn)底部水箱，形成自循環(huán)系統(tǒng)；這時可以進(jìn)行第一次實驗。

④砂柱進(jìn)水：打開A、B閥門，控制A閥門流量大小使水緩慢從下向上進(jìn)入砂樣，直至水流從B閥門流出。

⑤測定水頭：測壓管a、b、c開始有水柱上升，當(dāng)測壓管水位穩(wěn)定，且Ha-Hb=Hb-Hc時，系統(tǒng)水流穩(wěn)定；讀出各測壓管的水頭值并記錄。

⑥測定流量：在進(jìn)行步驟⑤的同時，利用秒表和量筒測量t時間內(nèi)水管流出的水體積，及時計算流量Q。連測兩次取平均值。

⑦改變水頭差：調(diào)節(jié)升降水箱的高度2次，改變a、b、c測壓管的讀數(shù)，重復(fù)實驗步驟⑤和⑥；并記錄數(shù)據(jù)。

⑧按實驗記錄表計算實驗數(shù)據(jù)。

3.2 三維模型構(gòu)建

三維模型構(gòu)建時，首先采用AutoCAD進(jìn)行平面尺寸設(shè)計，確定模型的點、線、面等主要空間坐標(biāo)；然后使用建模工具Blender進(jìn)行三維幾何建模。Blender是一款開源的免費的三維建模和動畫制作軟件，提供從建模、動畫、材質(zhì)、渲染、到后期處理等一系列動畫短片制作解決方案[11-12]。Blender因為本身足夠小巧，具有很高的便捷性，同時還可以做到多平臺支持；因為其開放源碼，所以有許多功能強(qiáng)大且足夠便捷的插件可供選擇[13]。

采用Blender，在編輯模式下使用三維坐標(biāo)創(chuàng)建點線面，使用復(fù)制、拉伸、擠出、旋轉(zhuǎn)、環(huán)切和布爾運算等功能構(gòu)建了實驗儀器各零部件三維仿真模型（見圖3），并建立了三組實驗儀器的模型庫，其中達(dá)西實驗主要部件的三維模型見表1所示（D代表達(dá)西儀）。

3.3 虛擬仿真動畫設(shè)計

在三維幾何模型基礎(chǔ)上，利用Blender進(jìn)行貼圖、烘焙和材質(zhì)渲染，構(gòu)建出逼真的三維模型，這是進(jìn)行仿真動畫制作的首要任務(wù)。動畫制作的重點在于創(chuàng)建符合實驗流程的演示效果，整個過程分為三個階段：第一步是將實驗過程轉(zhuǎn)化為動畫內(nèi)的步驟和邏輯關(guān)系，即前期所做的實驗過程分解；第二步依據(jù)確認(rèn)的動畫內(nèi)容，使用Blender動畫功能中的路徑動畫、縮放動畫、旋轉(zhuǎn)動畫、視窗動畫等功能開始制作動畫幀；第三步對完成的動畫片段進(jìn)行編輯、剪輯、配音等后期制作。

實驗仿真動畫的開發(fā)實質(zhì)上包括了結(jié)構(gòu)動畫和工作流程動畫這兩個部分。結(jié)構(gòu)動畫是通過三維造型全面展示實驗儀器的外觀樣式大小等，也可展示儀器的內(nèi)部構(gòu)造，給人十分直觀的視覺效果，使學(xué)生全面、細(xì)致地了解實驗儀器的結(jié)構(gòu)。工作流程動畫是用動畫的形式表現(xiàn)出在真實實驗過程中，使用實驗儀器和實驗材料，按照一定的順序連續(xù)進(jìn)行操作，最終完成實驗的方法與過程。此部分的關(guān)鍵點是工序一定要明確，按照工序知識點制作動畫開始后，其內(nèi)容將無法改動。

以達(dá)西滲流實驗為例，動畫制作的第一部分就是達(dá)西儀展示，通過使用旋轉(zhuǎn)、拆分、漫游、組合等多種形式全方位的演示實驗儀器。第二部分就是達(dá)西滲流實驗過程的動畫制作，先要明確實驗過程的步驟，然后將分解的過程步驟轉(zhuǎn)化為可實現(xiàn)的實驗流程動畫指令，依照動畫指令制作水流通過水泵、上下水管、溢水箱等形成自循環(huán)系統(tǒng)，以及水流流經(jīng)砂柱的狀態(tài)、測壓管水位上升動態(tài)等一個個動畫片段。所有仿真動畫的制作都是以動畫幀的形式組成動畫片段，再以視頻剪輯，配音講解合成與實驗流程一致的步驟指令。

4 仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，為了提高人才的培養(yǎng)能力，同時也為了響應(yīng)我國的“科教興國”戰(zhàn)略，高校的實驗教學(xué)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合越來越密切[14]。利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)及視頻技術(shù)開發(fā)的虛擬仿真實驗系統(tǒng)，將會在一定程度上改善高校傳統(tǒng)實驗資源缺乏等問題，為高校實驗教學(xué)的改革提供了可行方案。

在虛擬實驗系統(tǒng)的整個開發(fā)過程中，首先根據(jù)當(dāng)前研究現(xiàn)狀對系統(tǒng)進(jìn)行了可行性分析和需求分析，然后設(shè)計了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、劃分了系統(tǒng)的功能模塊，再對應(yīng)功能模塊進(jìn)行了界面設(shè)計和編碼開發(fā)，最后對系統(tǒng)進(jìn)行測試與調(diào)試。虛擬實驗室系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)模式，這種模式的優(yōu)勢在于使用者利用瀏覽器就可以對其進(jìn)行訪問。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，選用IntelliJ IDEA作為開發(fā)工具，使用目前主流的Web開發(fā)技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，布局采用了彈性布局方式，頁面采用BootStrap組件完成，同時采用Jquery和JavaScript技術(shù)實現(xiàn)頁面交互效果，采用先進(jìn)的網(wǎng)頁視頻播放來實現(xiàn)視頻播放。

系統(tǒng)主要功能包括前端用戶系統(tǒng)和后端管理系統(tǒng)兩大功能模塊。如圖4實驗系統(tǒng)功能模塊導(dǎo)圖所示，前端用戶系統(tǒng)可實現(xiàn)用戶登錄和權(quán)限管理、實驗介紹、實驗項目、相關(guān)下載等功能，在實驗項目下級菜單中可進(jìn)一步對實驗?zāi)康?、儀器、原理及實驗過程預(yù)覽展開學(xué)習(xí)，并自主完成實驗過程操作和實驗報告提交；后端管理系統(tǒng)是基于虛擬仿真技術(shù)、數(shù)據(jù)庫而建立的系統(tǒng)后臺核心技術(shù)，是為管理人員提供對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和管理的功能，可實現(xiàn)對三維動畫演示庫的調(diào)取、登錄數(shù)據(jù)存儲和實驗報告生產(chǎn)等。

基于Web技術(shù)的水文地質(zhì)學(xué)虛擬仿真實驗系統(tǒng)，將實驗內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)化之后，學(xué)生通過PC端進(jìn)入實驗系統(tǒng)，利用鼠標(biāo)、鍵盤即可在虛擬場景中完成對實驗設(shè)備的預(yù)覽、操作及各項實驗任務(wù)的全過程操作。依據(jù)實驗系統(tǒng)的總體設(shè)計及系統(tǒng)功能模塊要求，對實驗系統(tǒng)界面進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計與實現(xiàn)，見圖5水文地質(zhì)學(xué)虛擬仿真實驗系統(tǒng)界面。

5 結(jié)束語

水文地質(zhì)學(xué)虛擬仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)填補(bǔ)了目前水文地質(zhì)學(xué)線上實驗課的不足，也是對水文地質(zhì)學(xué)線下實驗課的有力支撐。通過教學(xué)實踐優(yōu)化現(xiàn)有實驗項目和實驗過程，使用AutoCAD、Blender進(jìn)行三維建模、動畫制作，選用目前主流的Web開發(fā)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研發(fā)，采用視頻、動畫演示、交互等多種方式，使學(xué)生可以直觀、生動、隨時隨地多個角度體驗虛擬實驗；采用“運行-驗證-優(yōu)化”逐步推進(jìn)水文地質(zhì)學(xué)虛擬仿真線上實驗課的建立。本項目的研究成果將應(yīng)用于水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)實驗課的線上教學(xué)，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)

習(xí)熱情，學(xué)生在實驗條件不足的情況下可自主完成水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)實驗，鍛煉學(xué)生動手能力，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技能，提高學(xué)生就業(yè)競爭力，助力工程專業(yè)教育認(rèn)證的教學(xué)效果。這將成為進(jìn)一步推動其他水文地質(zhì)學(xué)相關(guān)實驗進(jìn)行線上教學(xué)研究的基礎(chǔ)，有利于促進(jìn)科學(xué)研究方法和成果與教學(xué)實踐的結(jié)合。

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